CN101633995B - 屈服强度≥360MPa表面质量优良的船体用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了表面质量优良的高强度船体结构用钢及生产方法：化学成分按重量百分比为：C：0.19～0.28％，Si：0.01％～0.25％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.05％～0.85％，Nb：0.008％～0.20％，Cu：0.15％～0.40％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：(1)：Cr≤2Cu+C≤1.05％，(2)：0.22％≤Cu+Cr≤1.28％；生产方法：采用真空系统精炼；钢坯均热温度在1180～1220℃；可逆轧机轧制：轧制中，采用5～30MPa的高压水除鳞；开轧温度至少1050℃，终轧温度880～980℃；自然冷却至室温。本发明钢板的屈服强度≥360MPa，具有良好的耐腐蚀性能，钢板表面质量优良。

Description

屈服强度≥360MPa表面质量优良的船体用钢及生产方法 

技术领域

本发明涉及船体结构用钢及生产方法，具体属于屈服强度≥360MPa表面质量优良的船体用钢及其生产方法。 

背景技术

随着国际贸易的兴旺和发展，远洋航运业务需求量越来越大，远洋运输船舶、海上钻井平台等钢结构逐步向大型化、巨型化发展，要求采用表面质量优良的钢材建造远洋船舶、海洋平台，以保证工程质量，提高工程使用寿命。如果使用钢板表面有凹坑的劣质钢板制造远洋船舶、海洋平台等钢结构，这些表面凹坑经弯曲变形后就成为疲劳裂纹源，造成灾难性后果。因此，本发明的目的在于提供高质量高强度系列船板用钢，屈服强度为360MPa以上，满足大型远洋船舶、海上钻井平台、近海桥梁、建筑等建造用钢需求。 

在本申请以前，中国专利申请96195583.X提供了一种“铁素体钢及其生产方法和用途”，化学成分为C：0.05％～0.3％，Si：＜0.20％，Mn：0.8％～3.0％，Al：0.40％～2.5％，P≤0.015％，S≤0.010％，还可能添加以下合金元素Cr：＜0.8％，Cu＜0.5％，Ni＜0.8％，Mo：＜0.5％，Ti：＜0.05％，经控轧控冷过程生产成热轧卷板。该专利技术不足之处在于钢中强氧化合金元素Al含量太多，高达2.5％，易形成颗粒粗大的Al₂O₃且不易除净，降低钢的断裂韧性和钢板表面质量，在连铸过程中生成的Al₂O₃容易堵塞浇铸水口，造成生产事故。中国专利申请94115981.7公开了“适于高温多湿环境的耐海水腐蚀钢及其制造方法”，通过铸造、热轧后以3～20℃/sec的冷速加速冷却，在400℃～600℃温度范围停止加速冷却，然后空冷。其不足在于微合金化元素太多，包括难于控制的元素N、REM等，冶炼过程中不易操作，难于控制其成分精度，增加了生产难度，提高了成本。成形过程中采用轧后控制冷速冷却工艺，降低了设备利用率和生 产效率，难于在实际生产过程中推广应用。另外，REM是强氧化性合金元素，生产钢板过程中极易形成表面氧化物，急剧降低钢板表面质量。中国专利申请200610024963.0介绍了“一种抗海水和潮湿环境腐蚀钢”，其化学成分为：C：0.06％～0.09％，Si：0.20％～0.50％，Mn：0.30％～0.40％，Cr：1.00％～1.20％，Al：0.40％～0.60％，Mo：0.25％～0.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Ti≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.020％，Pb≤0.0025％，Bi≤0.010％，Sb≤0.004％，[N]≤0.030％，[O]≤0.0025％，[H]≤0.00015％，余为Fe和不可避免的杂质。类似的，另一项中国专利申请200610024179.X公开了“一种耐海水腐蚀钢及其生产方法”，该两项耐海水腐蚀钢专利技术的化学成分十分复杂，而且对难于控制的合金元素提出了精度要求，显著增加了生产难度和成本。钢中价格昂贵的合金元素Mo含量较高，是一种不经济的钢种，且钢中Al含量很高，给生产该钢种带来很大困难，尤其是在浇铸过程中，形成的含Al氧化物及氮化物容易堵塞浇铸水口，造成生产事故，钢板表面形成的氧化物Al₂O₃，难于从表面脱落，钢板表面平整度难于保障。中国专利申请200510047196.0提供了一种“高强度低焊接裂纹敏感性钢厚板及其生产方法”，其化学成分为：C：0.06％～0.09％，Si：0.15％～0.55％，Mn：1.0％～1.60％，Cr≤0.30％，Als：0.01％～0.04％，Mo≤0.30％，P≤0.015％，S≤0.006％，Cu≤0.30％，Ni≤0.15％～0.40％，Nb：0.005～0.05％，V：0.02～0.06％，余量为Fe及不可避免的夹杂，同时，钢的化学成分必须满足：Pcm≤0.20％及Ceq≤0.42％。采用奥氏体完全再结晶区+奥氏体未再结晶区两个阶段控制轧制、在线层流冷却及离线回火等工艺，生产出的钢板最厚可达75mm，钢板抗拉强度≥610MPa。不足之处在于，钢的化学成分复杂，在生产过程中，钢板表面易形成不易去除的氧化铁皮，钢板表面质量难于保障。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术及服役的高强度船体结构用钢存在的Al₂O₃容易堵塞浇铸水口，造成生产事故，或钢板表面形成的氧化物Al₂O₃，难于从表面脱落，钢板表面平整度难于保障；或化学成分复杂，难以控制，成本高等不足，提供一种屈服强度大于360Mpa，钢板表 面不平度小于2/1000，生产过程容易控制，操作简单，生产成本较低，适合规模生产的表面质量优良的高强度船体结构用钢及其生产方法。 

本发明为了达到上述目的，设计了表面质量优良的高强度船体结构用钢，化学成分按重量百分比为：C：0.19～0.28％，Si：0.01％～0.25％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.05％～0.85％，Nb：0.008％～0.20％，Cu：0.15％～0.40％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式： 

(1)：Cr≤2Cu+C≤1.05％ 

(2)：0.22％≤Cu+Cr≤1.28％。 

生产权利表面质量优良的高强度船体结构用钢的方法： 

转炉常规冶炼，在冶炼过程采用真空系统精炼；钢坯均热温度控制在1180～1220℃；在采用可逆轧机轧制钢板过程中，采用5～30MPa的高压水除鳞；开轧温度控制在不低于1050℃，终轧温度控制在：880～980℃；最后经自然冷却至室温。 

本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理。 

众所周知，钢坯轧制成钢板一般要将钢坯加热至1200℃左右，经过多道次轧制，最后形成钢板。暴露在空气中的高温钢坯或半成品钢板，必然与空气中的氧发生反应，生产氧化物FeO、Fe₂O₃等，由于这些表面氧化物的存在，经轧辊的轧制，钢板表面就会形成“轧入氧化铁皮”，随后氧化铁皮脱落，造成表面凹坑，导致钢板表面不平度增加，甚至不能满足船舶、海洋平台等钢结构建造要求。本发明的关键在于在不含铝的情况下，通过对C、Cu、Cr等合金元素含量的限制：其一抑制钢坯或钢板半成品在制造过程中氧化物的形成；其二，由于不添加Al，在浇铸过程中，浇铸水口不会堵塞，造成生产事故，在钢板表面无氧化物Al₂O₃形成，其氧化物为在轧辊轧制过程中容易脱落的FeO、Fe₂O₃等，因此，不会在成品钢板表面留下凹坑等缺陷；并控制：设定的化学成分满足关系式Cr≤2Cu+C，目的在于抑制钢表面Cr的氧化物的形成；2Cu+C≤1.05％，目的在于防止钢板产生热裂纹和强度过高导致韧性降低；设定0.22％≤Cu+Cr，遏制钢板表面铁的氧化物FeO、Fe₂O₃等的形成，且使得形成的氧化物FeO、 Fe₂O₃等易从钢板表面脱落，避免在成品钢板表面形成凹坑；设定Cu+Cr≤1.28％，目的在于在满足生产条件和钢板质量的前提下，尽可能减少钢中合金元素含量，降低生产难度及降低生产成本。 

以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。 

C是钢中较为有效、经济的间隙强化元素，为了提高钢的强度，控制钢中一定C含量可保障钢的屈服强度≥360MPa，但是当C含量高于0.28％时，会使钢的断裂韧性显著降低，相反，如果C含量低于0.05％，则难于保障钢的强度，综合平衡钢的力学性能，将C含量的取值范围确定为：0.05-0.28％。 

Si是一种廉价的强化元素，我国资源很丰富，加入钢中可显著提高钢的强度，但如果钢中Si含量偏高，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分范围确定为：0.01-0.25％. 

Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，综合C、Si等合金元素的强化作用，并考虑到钢的屈服强度≥360MPa，故将Mn含量的范围设定为0.30-1.50％。 

Cu与钢中适量Cr共同作用，抑制环境中的氧进入到钢中与Fe发生反应，形成Fe的系列氧化物FeO、Fe₂O₃等，减少钢板表面氧化铁皮的数量，另一方面，由于钢中适量Cr、Cu的作用，高温下形成的氧化铁皮与钢板基体结合较为松软，在轧制过程中容易从钢板基体脱落，保持钢板表面的平整度和光洁度，使钢板具有优良的表面质量。但过量的Cr含量导致钢的脆性增加，Cu含量过高会增加钢的热裂纹造成废品，故将Cr含量范围设定为0.05％～0.85％，将Cu含量范围设定为0.10％～0.40％。 

钢中加入微量的Nb，主要目的在于提高钢的再结晶温度，使轧制可在较高温度完成，使得钢板表面形成的氧化铁皮容易脱落，提高钢板表面质量；减小轧制机械设备的轧制抗力，延长轧制设备使用寿命，Nb微合金化钢晶粒细小，改善钢的微观组织结构，提高钢的韧性， 但过量的Nb含量不利于钢的冶炼，因此将Nb含量确定为0.008％～0.20％。 

P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响钢的抗冲刷磨蚀性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在P≤0.015％及S≤0.010％常规范围。 

以下简述生产方法所依据的原理。 

钢的冶炼过程采用真空精练，目的在于除去钢中[O]、[N]、[H]等气体，避免[O]与Fe反应形成氧化物，降低钢的质量。另一方面，通过真空精练，钢中夹杂物充分上浮到钢水表面渣中，净化钢水，提高钢质。 

钢坯均热温度：1180～1280℃。开始轧制时采用至少5～30Mpa的高压水除鳞，开轧温度≥1050℃，终轧温度：880～980℃，最后空冷至室温。将钢坯加热至1180～1280℃，钢坯表层及中心部位全部奥氏体化，由于奥氏体晶体结构滑移系较多，轧制过程中容易变形，使高温下形成的粗大晶粒充分细化，改善钢的性能。将开轧温度设定为高于1050℃，一般在1100-1280℃开始粗轧，因为设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。终轧温度设定在880～980℃范围，因为该温度范围处于非再结晶轧制过程，一方面在该温度范围轧制可以获得良好的微观组织和理想的综合力学性能；另一方面，钢板表面形成的氧化铁皮在该温度下轧制容易从钢板基体脱落，表面质量优良。空冷至室温可消除钢板轧制过程产生的内应力，避免钢板在焊接等施工过程中产生变形，提高钢结构工程质量。 

本发明钢具有如下优点： 

1.化学成分较为简单，生产工艺过程容易操作，生产成本较低。 

2.钢板表面平整光滑，质量优良。钢板内应力低，焊接、冷弯变形等工艺性能良好。 

具体实施方式

按照本申请成分要求，冶炼了6批本发明钢，化学成分数据见表1；其生产方法按照：转炉常规冶炼，在冶炼过程采用真空系统精炼；钢坯均热温度控制在1180～1280℃；在采用可逆轧机轧制钢板过程中，采用5～30Mpa的高压水除鳞；开轧温度控制在不低于1050℃，终轧温度控制在：880～980℃；最后经自然冷却至室温，具体见表2。表2为生产本发明钢的工艺过程及经检测后钢板表面不平度及屈服强度结果。 

采用表面不平度衡量本发明钢板表面质量，其表面不平度检测方法：用1000mm标准非变形钢尺随机放在水平放置的钢板表面，测量钢板表面(包括凹坑处)到钢尺的最大距离s，记为s/1000，s/1000值越小表明表面质量越高，一般通用标准规定：钢板表面不平度为7/1000时，表示为表面质量最好钢板。由表2可见，按本发明生产的钢板表面不平度均小于2/1000，表明本发明钢具有良好的表面质量。对比钢7由于化学成分不满足关系式(1)，虽然屈服强度高于360MPa，但钢板表面不平度为8/1000。对比钢8由于化学成分不满足关系式(2)，屈服强度仅为350MPa，且表面不平度达10/1000，钢板表面质量较低。 

表1.本发明实施例化学成分(质量分数％) 

表2.生产本发明实施例钢的主要工艺条件及检测后表面质量与屈服强度结果 

Claims (2)

1.屈服强度≥360MPa表面质量优良的船体用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.19～0.28％，Si：0.01％～0.25％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.05％～0.85％，Nb：0.008％～0.20％，Cu：0.15％～0.40％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：

(1)：Cr≤2Cu+C≤1.05％

(2)：0.22％≤Cu+Cr≤1.28％。

2.生产权利要求1所述的屈服强度≥360MPa表面质量优良的船体用钢的方法：

转炉常规冶炼，在冶炼过程采用真空系统精炼；钢坯均热温度控制在1180～1220℃；在采用可逆轧机轧制钢板过程中，采用5～30MPa的高压水除鳞；开轧温度控制在不低于1050℃，终轧温度控制在：880～980℃；最后经自然冷却至室温。